Ветошкин А.Г. Процессы инженерной защиты окружающей среды

Подождите немного. Документ загружается.

111

пазоне концентраций. Однако высококонцентрированные загрязнители (ориен-

тировочно с концентрациями более 5

кг/м

) удобнее подвергать предвари-

тельной обработке (конденсацией, абсорбцией) для снижения их концентраций.

Необходима также предварительная обработка (осушка) сильно увлажненных

газов.

К сожалению, часто в качестве универсального средства очистки вы-

бросов рассматривается термообезвреживание, каковым оно на самом деле не

является. В термоокислительных процессах необратимо теряется качество воз-

духа, использованного для горения, а продукты окисления, выбрасываемые в

атмосферу, содержат некоторое количество новых токсичных веществ - ок-

сида углерода СО и оксидов азота NO . Вообще область применения термо-

обезвреживания ограничена только соединениями, в молекулах которых нет

других элементов, кроме углерода С, водорода Н и кислорода О. Получить не-

токсичные продукты реакции любых других соединений с кислородом прин-

ципиально невозможно. Термоокислительная обработка выбросов, загрязнен-

ных углеводородами или КПУ (кислородными производными углеводородов),

ограничивается также по затратам топлива на создание требуемых температур

в зоне реакции (400...550°С для термокаталитической обработки и

800...1200°С для непосредственного термоокисления, т.е. сжигания в пламени).

Чтобы обеспечить максимальное окисление исходных загрязнителей до отно-

сительно нейтральных СО

и Н

О, процесс термообезвреживания должен быть

полностью контролируемым. Поэтому он должен осуществляться в топочных

устройствах, соответствующих по параметрам расчетным условиям, обеспечи-

вающим полное окисление загрязнителей. По этой же причине сжигание орга-

нических соединений в открытом пламени не может быть отнесено к способу

термического обезвреживания. Канцерогенная копоть факелов химических

предприятий, с легкостью преодолевающая санитарно-защитную зону, показы-

вает, что это серьезный источник загрязнения окружающей среды, а не сред-

ство защиты атмосферы.

К перспективным способам обработки больших объемов выбросов с не-

высокими концентрациями органических газообразных загрязнителей можно

отнести схему термообезвреживания с предварительным концентрированием

загрязнителей посредством адсорбции. Такая схема может быть технически и

экономически приемлемой при начальной концентрации загрязнителя выше 50

мг/м

. Теплоту, выделяющуюся при сгорании загрязнителей, можно достаточно

легко утилизировать. Если концентрация горючих загрязнителей может быть

доведена ориентировочно до (5...6) 10'

кг/м

, то термообработку можно орга-

низовать с незначительным добавлением топлива, а при более высоких концен-

трациях можно ожидать и экономической эффективности работы установки.

Представляются перспективными способы обработки отбросных газов,

основанные на переводе парообразных загрязнителей в конденсированное со-

112

стояние и последующей фильтрации образовавшегося аэрозоля. Если загрязни-

тели имеют невысокое давление насыщенных паров, то может быть приемле-

мой конденсация посредством повышения давления и понижения температуры

выбросов. Пары загрязнителей легкокипящих веществ могут быть подвергнуты

обработке химическими реагентами таким образом, чтобы продукты реакции

имели низкие давления насыщенных паров. При этом способы химической

обработки необходимо подбирать так, чтобы была возможна утилизация улав-

ливаемого продукта.

В практике газоочистки применяют три основных способа очистки

выбросов в атмосферу от вредных паров и газов: абсорбция жидкостями,

адсорбция твердыми поглотителями, каталитические методы очистки.

Абсорбция — избирательное поглощение одного или нескольких

компонентов из газовой смеси жидкими поглотителями.

Газовую среду, из которой извлекают компонент, называют газом-

носителем, жидкий поглотитель — абсорбентом, поглощаемый компонент

— абсорбтивом.

Скорость абсорбции зависит от ряда факторов, главным образом,

давления и температуры. С ростом давления и температуры скорость аб-

сорбции повышается.

Процесс, обратный абсорбции, называется десорбцией. Если изме-

няются условия, например, происходит понижение давления над жидко-

стью или снижается температура, процесс становится обратимым и проис-

ходит выделение газа из жидкости. Таким образом, может быть осуществ-

лен циклический процесс абсорбции-десорбции. Это позволяет выделить

поглощенный компонент. Сочетая абсорбцию с десорбцией, можно много-

кратно использовать почти без потерь жидкий поглотитель (абсорбент) в

замкнутом контуре аппаратов: абсорбер-десорбер-абсорбер (круговой про-

цесс), выделяя поглощенный компонент в чистом виде.

Абсорбционную очистку выбросов в атмосферу применяют как для извле-

чения ценного компонента из газа, так и для санитарной очистки газа. Считают,

что целесообразно применять абсорбцию, если концентрация данного компо-

нента в газовом потоке составляет свыше 1 %.

Абсорбция — наиболее распространенный процесс очистки газовых сме-

сей во многих отраслях, например, в химической промышленности. Абсорб-

цию широко применяют для очистки выбросов от сероводорода, других серни-

стых соединений, паров соляной, серной кислот, цианистых соединений, орга-

нических веществ (фенола, формальдегида и др.).

Различают абсорбцию физическую и химическую. При физической

абсорбции молекулы абсорбента и молекулы абсорбтива не вступают между

собой в химическое взаимодействие. При химической абсорбции молекулы

113

абсорбента вступают в химическую реакцию с молекулами абсорбтива, об-

разуя новое химическое соединение.

Процесс абсорбции осуществляется в специальных аппаратах — абсор-

берах. Для интенсификации процесса абсорбции необходимы аппараты с

развитой поверхностью контакта абсорбента с газом-носителем.

Адсорбция — процесс избирательного поглощения одного или несколь-

ких компонентов из газовой среды с помощью адсорбентов — твердых материа-

лов с большой удельной поверхностью.

Газовая среда, из которой происходит поглощение компонента, на-

зывается газом-носителем, твердое вещество, поглощающее компонент —

адсорбентом, поглощаемое вещество — адсорбтивом, поглощенное веще-

ство — адсорбатом.

Различают физическую и химическую адсорбцию (хемосорбцию).

При физической адсорбции между молекулами адсорбента и молекулами

адсорбируемого вещества не происходит химического взаимодействия.

Процесс физической адсорбции может быть обратимым, т. е. чередуются

стадии адсорбции и десорбции (выделения поглощенного компонента из

адсорбента).

При химической адсорбции молекулы адсорбента и адсорбтива хими-

чески взаимодействуют. Десорбция практически неосуществима.

При химической адсорбции выделяется значительно больше тепло-

ты, чем при физической адсорбции.

Ниже рассматривается физическая адсорбция, находящая применение

в промышленности в значительной мере из-за возможности осуществить об-

ратный процесс (десорбцию).

Каталитические методы очистки основаны на взаимодействии уда-

ляемых веществ с вводимым в очищаемую газовую среду веществом в при-

сутствии катализатора. В результате реакций находящиеся в газе примеси

превращаются в другие соединения, представляющие меньшую опасность,

или легко отделяются от газа.

Благодаря применению катализаторов можно достичь высокой степени

счистки газа, достигающей в ряде случаев 99,9 %. Каталитическая очистка

применяется в основном при небольшой концентрации удаляемого компо-

нента в очищаемом газе.

Каталитическая очистка позволяет обезвреживать оксиды азота, ок-

сид углерода, другие вредные газовые загрязнения.

Катализатор должен обладать активностью, пористой структурой, а

также стабильностью, селективностью, прочностью. Под стабильностью по-

нимают устойчивость к длительному воздействию температуры и компо-

нентов газовой смеси.

114

Основное достоинство каталитических методов очистки: возмож-

ность достижения высокой степени очистки. При температуре 100…150°С

процессы рассматриваются как необратимые, что позволяет получать газ с

весьма низким содержанием примесей.

Основные недостатки: обычно установки для каталитической очист-

ки сложны, громоздки; в качестве эффективных катализаторов приходится

применять дорогостоящие вещества — платину, палладий, рутений; ис-

пользуют и более дешевые — никель, хром, медь, но они менее эффектив-

ны. В целом наблюдается тенденция расширения применения каталитиче-

ской очистки. Эти методы нуждаются в дальнейшем совершенствовании.

Дожигание представляет собой метод очистки газов путем термиче-

ского окисления углеводородных компонентов до СО

и Н

О. В ходе про-

цесса дожигания другие компоненты газовой смеси, например, галоген- и

серосодержащие органические соединения, также претерпевают химиче-

ские изменения и в новой форме могут эффективно удаляться или извле-

каться из газовых потоков.

Очевидно, что возможность дальнейшей переработки отходов средствами

основной технологии весьма ограничена, чем изначально предопределяется не-

высокое качество очистки выбросов. Такой подход к проблеме требует сущест-

венного пересмотра. Одним из действенных шагов могло бы стать включение

операций обезвреживания отходов в основной технологический процесс, как ли-

митирующих количество и качество выпускаемой продукции.

Неограниченный рост ассортимента и объема производимой в современ-

ном мире продукции ведет к усложнению и удорожанию технологий обработки от-

ходов. Можно предполагать, что уже в ближайшем будущем станут вполне при-

емлемыми по затратам методы, используемые сегодня в малотоннажных произ-

водствах - газоразделение посредством хроматографирования на молекулярных

ситах, центрифугирования тяжелых компонентов, термодиффузии, обезвреживание

загрязнителей плазменной деструкцией.

2.12. Классификация способов очистки сточных вод

Для создания замкнутых систем водоснабжения промышленные

сточные воды подвергаются очистке до необходимого качества механиче-

скими, химическими, физико-химическими, биологическими и термиче-

скими методами. Указанные методы очистки подразделяются на рекупера-

ционные и деструктивные. Рекуперационные методы предусматривают из-

влечение из сточных вод и дальнейшую переработку всех ценных веществ.

В деструктивных методах загрязняющие вещества

подвергаются разруше-

нию путем окисления или восстановления, а продукты разрушения удаля-

ются из воды в виде газов или осадков.

Основные методы очистки различной природы используются как для

очистки сточной воды от суспендированных и эмульгированных примесей,

115

так и для очистки от растворенных примесей. В свою очередь, первая

группа очистки гетерогенных систем подразделяется на методы очистки от

грубодисперсных примесей, куда входят способы отстаивания, процежи-

вания и фильтрации, флотации, центробежного осаждения; и на методы

очистки от мелкодисперсных примесей путем коагуляции, флокуляции и

электрофлотации.

В первую группу также можно отнести

методы устранения и унич-

тожения примесей путем закачки в скважины, захоронения и термического

уничтожения.

Вторая группа включает методы очистки воды от минеральных при-

месей путем дистилляции, ионного обмена, обратного осмоса, электроли-

за; методы очистки от органических примесей, включающие регенератив-

ные способы экстракции, ректификации, адсорбции, обратного осмоса и

ультрафильтрации, и деструктивные

способы: биохимические, жидко- и

парофазного окисления, радиационного и электрохимического окисления;

а также методы очистки от растворенных газов, включая способы отдувки,

нагрева и реагентные.

Механические методы удаления взвешенных частиц из сточных вод

основаны на законах гидромеханических процессов. Физико- химические

методы очистки сточных вод используют для удаления из сточных вод

тонкодисперсных твердых и

жидких взвешенных частиц, растворимых га-

зов, минеральных и органических веществ. Механизмы этих методов осно-

ваны на использовании законов физико- химической гидромеханики, фи-

зической и коллоидной химии, электрохимии, процессов химической тех-

нологии.

Химические методы применяют для удаления растворимых веществ

в замкнутых системах водоснабжения. Биохимические методы применяют

для очистки хозяйственно- бытовых и

промышленных сточных вод от рас-

творенных органических и неорганических веществ. Процесс биохимиче-

ской очистки основан на способности микроорганизмов использовать за-

грязняющие вещества для своего питания в процессе жизнедеятельности.

Термические методы применяют для обезвреживания сточных вод,

содержащих минеральные соли.

Выбор метода очистки производится с учетом санитарных и техно-

логических требований к качеству

очищенных вод, количества сточных

вод, наличия необходимых энергетических и материальных ресурсов, эф-

фективности процесса обезвреживания.

2.13. Методы защиты литосферы

Защита литосферы включает не только утилизацию отходов путем

их размещения на полигонах и свалках, но и переработку жидких и твер-

дых отходов с использованием различных методов.

116

Механическое обезвоживание осадков промышленных стоков может

производиться экстенсивными и интенсивными методами. Экстенсивные

методы осуществляются в различного рода уплотнителях, интенсивное

обезвоживание и сгущение производится при помощи фильтрования, цен-

трифугирования, гидроциклонирования и т.п.

В практике обработки осадков промышленных сточных вод чаще

всего применяются химические (реагентные) методы обработки.

При использовании термоокислительного метода все

органические

вещества, загрязняющие сточные воды, полностью окисляются кислоро-

дом воздуха при высоких температурах до нетоксичных соединений. К

этим методам относят метод

жидкофазного окисления, метод парофазно-

го каталитического окисления и пламенный или «огневой» метод

Относительно широкое распространение в области обработки осад-

ков городских сточных вод получила сушка (барабанные сушилки, сушка

во встречных струях).

Многие процессы утилизации твердых отходов основаны на исполь-

зовании методов выщелачивания (экстрагирования), растворения и кри-

сталлизации перерабатываемых материалов.

В практике рекуперации твердых отходов промышленности исполь-

зуют методы обогащения перерабатываемых материалов: гравитационные,

магнитные, электрические, флотационные, и специальные.

При утилизации и переработке твердых отходов используют различ-

ные методы термической обработки исходных твердых материалов и по-

лученных продуктов: это различные приемы пиролиза, переплава, обжига

и огневого обезвреживания (сжигания) многих видов твердых отходов на

органической основе.

2.14. Методы защиты от энергетических воздействий

Выбор методов защиты от энергетических воздействий зависит от

вида и формы проявления энергии.

При защите от механических и акустических механических колеба-

ний основными методами снижения уровня их воздействия является

уменьшение энергетических параметров в источнике, оптимальная ориен-

тация источника колебаний относительно объекта воздействия, поглоще-

ние части генерируемой энергии колебаний, уменьшение энергии колеба

ний на пути их распространения от источника путем изоляции, экраниро-

вания и демпфирования, защита расстоянием и временем, проведение ор-

ганизационно-технических и социально-реабилитационных мероприятий.

Выбор методов и средств защиты от воздействия электромагнитных

полей и излучений во многом определяется характеристиками источников

по частоте. В число методов защиты от ЭМП в

окружающей среде входит

защита расстоянием, экранирование, частичное поглощение мощности из-

117

лучения, снижение уровня энергетического воздействия путем рассеяния и

отвода части энергии от места ее локализации в окружающую среду.

Защита от ионизирующих излучений достигается в основном мето-

дом защиты расстоянием, методами экранирования и ограничения поступ-

ления радионуклидов в окружающую среду, проведением комплекса орга-

низационно-технических и лечебно-профилактических мероприятий.

2.15. Общие принципы интенсификации технологических процессов

защиты окружающей среды

Общие принципы интенсификации технологических процессов за-

щиты окружающей среды сводятся к использованию кинетических и тер-

модинамических факторов, эффективно влияющих на скорость процесса и

выход продуктов взаимодействия.

Выбор факторов, воздействующих на кинетику процесса, должен за-

висеть от того, в какой области (кинетической, диффузионной, переход-

ной) он протекает и в какой степени

ускоряет лимитирующую стадию в

данных конкретных условиях его осуществления.

Так, для интенсификации процессов в кинетическом режиме целесо-

образно изменять температуру, давление, концентрации реагирующих ве-

ществ, использовать катализаторы, увеличивать поверхность взаимодейст-

вующих веществ.

Повышение температуры приводит к значительному возрастанию

константы скорости реакции и используется как мощный фактор интенси-

фикации многих процессов.

Увеличение

концентрации взаимодействующих компонентов дости-

гается обогащением исходных продуктов процесса. Эту же роль выполняет

повышение давления газообразных исходных продуктов реакции, обога-

щение дутья кислородом в процессах горения. Если при этом одновремен-

но осуществляется отвод продуктов взаимодействия из зоны реакции, то

тем самым снижаются их концентрация и, следовательно, скорость обрат-

ных процессов,

что дополнительно увеличивает суммарную скорость про-

цесса.

Сильным интенсифицирующим фактором гетерогенных реакций,

протекающих в кинетической области, является повышение удельной по-

верхности (дисперсности) исходных веществ. Общая скорость реакции в

этом случае пропорциональна площади поверхности, на которой протекает

взаимодействие.

Такая же цель достигается при увеличении степени однородности

распределения веществ, их гомогенизации, что расширяет

площадь кон-

такта взаимодействующих фаз. Гомогенности добиваются механическим

перемешиванием, вибрацией, ультразвуком, высоковольтными разрядами

в жидкой среде и т.д.

118

Ускорение реакций за. счет использования катализаторов широко

применяется в химической промышленности и обусловлено снижением

энергии активации.

Процессы в диффузионной области интенсифицируют перемешива-

нием взаимодействующих фаз, турбулизацией их потоков, что способству-

ет ускоренному протеканию наиболее медленных в данном случае диффу-

зионных стадий. Этого же достигают снижением вязкости и плотности

среды, в которой

осуществляется диффузия.

Для интенсификации процессов в переходной области необходимо

использовать как кинетические, так и диффузионные факторы.

Как правило, кинетические стадии лимитируют процессы при низких

температурах, а диффузионные - при высоких. В последнем случае может

изменяться фазовый состав вещества (например, оно плавится или возго-

няется, резко интенсифицируя скорость диффузии и процесса в

целом).

Таким образом, повышение температуры следует рассматривать не только

как фактор, ускоряющий процесс в диффузионной области, но и как сред-

ство перевода гетерогенной системы в гомогенную, а твердых фаз в жид-

ко- и газофазные, что должно весьма существенно увеличить скорость

превращений.

Выход конечных продуктов в технологических процессах в предель-

ном случае

, т.е. в положении химического равновесия, определяется кон-

стантой равновесия и активностью исходных веществ, связанной с их кон-

центрацией. В свою очередь, константа равновесия конкретной реакции

зависит только от температуры.

В соответствии с принципом

Ле Шателье выход продуктов реакции

в эндотермических процессах будет увеличиваться при повышении темпе-

ратуры, а также при возрастании давления, если объем газообразных про-

дуктов реакции меньше, чем объем исходных, и при повышении концен-

трации одного или нескольких исходных веществ. Во всех случаях время

достижения равновесного состояния (максимального выхода продуктов

реакции) сокращается с

ростом температуры.

В промышленной практике для увеличения скорости процесса и вы-

хода продуктов реакции используют одновременно несколько

или боль-

шинство из перечисленных факторов интенсификации.

Широкое развитие получили также факторы интенсификации, осно-

ванные на использовании высокодисперсных материалов (факельная,

взвешенная плавки и др.), барботажные технологии, многократно увеличи-

вающие поверхности межфазового взаимодействия, повышение давления

дутья и обогащение его кислородом, процессы вакуумирования, использо-

вание богатых рудных концентратов, методы внепечной обработки рас-

плавов металлов

, т.е. практически все известные физико-химические фак-

119

торы регулирования скорости и полноты протекания технологических пре-

вращений.

120

Глава 3. Гидромеханические процессы очистки газовых выбросов и

жидкостных сбросов

3.1. Основные закономерности движения и осаждения аэрозолей

В основу действия пылеулавливающих и сепарационных устройств

положен определенный физический механизм. В пылеуловителях и сепа-

рационных устройствах находят применение следующие способы отделе-

ния взвешенных частиц от взвешивающей среды, т. е. воздуха (газа): осаж-

дение в гравитационном поле, осаждение под действием сил инерции,

осаждение в центробежном поле, фильтрование, осаждение в электриче-

ском

поле, мокрая газоочистка и др.

Гравитационное осаждение. Частицы аэрозоля осаждаются из пото-

ка загрязненного газа (воздуха) под действием силы тяжести. Для этого

необходимо создать соответствующий режим движения загрязненного газа

в аппарате с учетом размера частиц, их плотности и т. д.

Инерционное осаждение. Инерционное осаждение основано на том,

что частицы аэрозоля и взвешивающая среда ввиду значительной разности

плотностей обладают различной инерцией. Частицы аэрозоля, двигаясь по

инерции, отделяются от газовой среды.

Осаждение под действием центробежной силы. Происходит при

криволинейном движении пылегазового потока. Под действием возни-

кающих центробежных сил частицы аэрозоля отбрасываются на перифе-

рию аппарата и осаждаются.

Эффект зацепления при фильтровании. Частицы аэрозоля, взвешен-

ные в воздушной (газовой) среде, задерживаются в узких извилистых ка-

налах и порах при прохождении аэрозольного потока через фильтроваль-

ные материалы.

Осаждение в электрическом поле. Проходя электрическое поле, час-

тицы аэрозоля получают заряд. Двигаясь к электродам противоположного

знака, они осаждаются на них.

Мокрая газоочистка. Смачивание поверхности элементов аппаратов

водой или другой жидкостью способствует задержанию частиц на данной

поверхности.

В практике пылеулавливания и сепарации аэрозольных частиц нахо-

дят применение и другие методы:

термофорез, фотофорез, укрупнение

частиц в акустическом поле

, воздействие магнитного поля, биологическая

очистка

и др.

В пылеулавливающем и сепарационных устройстве, наряду с основ-

ным механизмом улавливания, обычно используются и другие закономер-

ности. Благодаря этому общая и фракционная эффективность аппарата

достигает более высокого уровня.

3.2. Гравитационное осаждение аэрозолей